スラストバランス調整装置及び回転機械
【課題】簡易な構成でコストを抑えつつスラスト軸受に作用するスラスト荷重を低減させることが可能なスラストバランス調整装置及び回転機械を提供する。
【解決手段】スラストバランス調整装置１０は、回転体４に設けられたバランスピストン１１と、バランスピストン１１を回転可能に収容し、流体が流通可能に連通する略環状のバランス室１２と、バランス室１２内の外周側に設けられて流体の軸方向Ａへの流通を制限し、相対的にバランスピストン１１の軸方向Ａ一方側を高圧室１５に、他方側を低圧室１６に設定する第一のシール手段１３と、高圧室１５または低圧室１６の少なくとも一方に設けられてバランス室１２とバランス室１２の外側との流体の流通を制限する第二のシール手段１４と、スラスト磁気軸受を駆動させて、バランスピストン１１の軸方向Ａの位置を調整して、高圧室１５と低圧室１６との圧力差を制御する圧力制御手段とを備える。
【解決手段】スラストバランス調整装置１０は、回転体４に設けられたバランスピストン１１と、バランスピストン１１を回転可能に収容し、流体が流通可能に連通する略環状のバランス室１２と、バランス室１２内の外周側に設けられて流体の軸方向Ａへの流通を制限し、相対的にバランスピストン１１の軸方向Ａ一方側を高圧室１５に、他方側を低圧室１６に設定する第一のシール手段１３と、高圧室１５または低圧室１６の少なくとも一方に設けられてバランス室１２とバランス室１２の外側との流体の流通を制限する第二のシール手段１４と、スラスト磁気軸受を駆動させて、バランスピストン１１の軸方向Ａの位置を調整して、高圧室１５と低圧室１６との圧力差を制御する圧力制御手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の軸方向のバランスを調整するスラストバランス調整装置、及び、これを備えた回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械としては、例えば、羽根車を有する回転体を回転駆動させることで吸入した流体を圧縮して吐出させる圧縮機や、流体を流入させることで羽根車を有する回転体を回転させてトルクを出力させるタービンなどが挙げられる。そして、このような回転機械では、回転体には、トルクとともに軸方向にもスラスト力が作用することとなるので、回転体をスラスト軸受によって、軸回りに回転可能に、軸方向に支持している。
【０００３】
また、上記のような回転機械では、回転体に作用するスラスト力が大きくなると、これを支持するためのスラスト軸受の構造も大型化してしまうため、スラスト軸受に作用するスラスト荷重を流体の圧力差を利用して低減させるバランスピストンを採用したものが従来知られている。具体的には、例えば圧縮機において、回転体に外周側に張り出すようにバランスピストンを設け、バランスピストンの一方側では吐出部と連通させることで吐出圧力を作用させるとともに、他方側では吸込部と連通させることで吸込圧力を作用させるものである。これにより、バランスピストンには、吐出圧力と吸込圧力との圧力差によりスラスト力が作用し、スラスト軸受に作用するスラスト荷重を低減させることが可能である。さらに、このような圧縮機の構成において、バランスピストンの上記他方側と吸込部とを連通する経路の途中に設けられた調節弁を有し、その開閉を調整することで、バランスピストンに作用する圧力を調整することが可能なものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。そして、このような圧縮機では、上記のように調整弁による圧力調整によって、定常運転時、並びに、起動・停止などの際のスラスト軸受の負荷変動が大きい時に、スラスト軸受に作用するスラスト荷重を適宜に低減させることが可能であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３１８１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のような構成では、流体を流通させる経路中に新たに調整弁と調整弁を制御する手段とを追加する必要があり、コストが増大してしまう問題があった。
【０００６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成でコストを抑えつつスラスト軸受に作用するスラスト荷重を低減させることが可能なスラストバランス調整装置及び回転機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、スラスト磁気軸受で軸方向に支持された回転体に作用するスラスト力を調整して、軸方向のバランスを調整するスラストバランス調整装置であって、前記回転体に設けられ、外周側に張り出した略円盤状のバランスピストンと、該バランスピストンを回転可能に収容し、軸方向のいずれかの側から流体が流通可能に連通する略環状のバランス室と、該バランス室内の外周側に設けられて前記流体の軸方向への流通を制限し、相対的に前記バランスピストンの軸方向一方側を高圧室に、他方側を低圧室に設定する第一のシール手段と、前記高圧室または前記低圧室の少なくとも一方に設けられて前記バランス室と該バランス室の外側との前記流体の流通を制限する第二のシール手段と、前記スラスト磁気軸受を駆動させて、前記バランスピストンの軸方向の位置を調整して、前記高圧室と前記低圧室との圧力差を制御する圧力制御手段とを備えることを特徴としている。
【０００８】
この構成によれば、バランス室に、軸方向のいずれか側から流通する流体は、外周側でバランスピストンの軸方向反対側へ流通する際に第一のシール手段で制限を受けることで、圧力が損失することとなる。これによりバランス室は、流体がその外側から流入することとなるバランスピストンの軸方向一方側が高圧室に、また、流体がその外側へ流出することとなるバランスピストンの軸方向他方側が低圧室となる。そして、両者の圧力差によりバランスピストンには、軸方向一方側から他方側へスラスト力が作用することとなる。そして、このバランスピストンに作用するスラスト力で、回転体に作用する他のスラスト力を相殺することにより、スラスト磁気軸受に作用するスラスト荷重を低減することができる。
【０００９】
ここで、高圧室または低圧室の少なくとも一方には、バランス室と外部との流通を制限する第二のシール手段が設けられている。そして、圧力制御手段によってスラスト磁気軸受を駆動させてバランスピストンの軸方向の位置を調整して高圧室と低圧室との圧力差を制御することができる。より詳しくは、第二のシール手段が設けられた高圧室または低圧室を狭くするようにバランスピストンを軸方向に移動させれば、第二のシール手段による圧力損失を大きくすることができ、これにより外部との圧力差を大きくすることができる。また、広くするようにバランスピストンを軸方向反対側に移動させれば、第二のシール手段による圧力損失を小さくすることができ、これにより外部との圧力差を小さくすることができる。すなわち、圧力制御手段が、バランスピストンの軸方向の位置を調整することで、第二のシール手段による圧力損失を変化させ、これにより高圧室と低圧室との圧力差を変化させてスラスト力を自在に調整することができる。また、バランス室をシールする手段を第一のシール手段と第二のシール手段と二つ設け、また圧力制御手段として、スラスト磁気軸受のアクチュエータを利用することで実現できるので、構成を簡易なものとすることができ、コストの増大を抑えることができる。
【００１０】
また、上記のスラストバランス調整装置において、前記バランスピストンは、前記スラスト磁気軸受を構成するスラストディスクであることがより好ましい。
【００１１】
この構成によれば、スラスト磁気軸受のスラストディスクをバランスピストンとして、第一のシール手段及び第二のシール手段を設けることで、回転体にバランスピストンを別構成として設ける必要がなくなり、同様にスラスト力の調整を可能としつつ、より構成を簡易なものとしてコストの低減を図ることができる。
【００１２】
また、本発明の回転機械は、回転体と、該回転体を回転可能に軸方向に支持するスラスト磁気軸受と、上記のスラストバランス調整装置とを備えることを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、上記のスラストバランス調整装置を備えることにより、低コストで簡易な構成によりスラストバランスの調整を図ることができ、これによりスラスト磁気軸受の小型化も図ることができ、全体として、小型化、低コスト化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のスラストバランス調整装置では、第一のシール手段、第二のシール手段及び圧力制御手段により、簡易な構成でコストを抑えつつ、スラスト軸受に作用するスラスト荷重を低減させることができる。
また、本発明の回転機械では、上記スラストバランス調整装置を備えることにより、小型化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態の圧縮機の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の圧縮機において、スラストバランス調整装置の詳細を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の圧縮機において、スラストバランス調整装置の詳細を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の圧縮機において、スラストバランス調整装置の詳細を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を図１から図３に基づいて説明する。図１は、本実施形態の回転機械である圧縮機を示している。図１に示すように、本実施形態の圧縮機１は、回転軸２及び回転軸２に取り付けられた羽根車３からなる回転体４と、羽根車３を収容するハウジング５と、ハウジング５に設けられて回転軸２を回転可能に支持するジャーナル軸受６、６及びスラスト磁気軸受７と、回転体４のスラストバランスを調整するスラストバランス調整装置１０を備える。
【００１７】
羽根車３は、略円盤状の部材で、回転軸２の外周面に、軸方向Ａに複数取り付けられている。各羽根車３には、内周側で軸方向Ａに沿って流入した流体Ｃを径方向外周側へ送出可能な流路３ａが放射状に複数形成されている。また、ハウジング５は、流体Ｃを装置外部から吸い込む吸込部５ａと、流体Ｃを装置外部へ吐出する吐出部５ｂと、吸込部５ａと吐出部５ｂとの間に設けられて各羽根車３を収容する作動室５ｃと、作動室５ｃ同士を連通し、羽根車３の流路３ａから外周側に送出された流体Ｃを次の羽根車３の流路３ａの内周側に案内する連通路５ｄとを有する。
【００１８】
ジャーナル軸受６、６は、ハウジング５の軸方向Ａ両側に配置されており、回転軸２を軸回りに回転可能に、径方向に支持している。ジャーナル軸受６、６は、例えば滑り軸受や磁気軸受などが選択される。また、スラスト磁気軸受７は、ハウジング５において吸込部５ａが設けられた流体吸入側となる軸方向Ａ一方Ａ１側に配置されており、回転軸２を軸回りに回転可能に、軸方向Ａに支持している。スラスト磁気軸受７は、回転軸２に設けられた略円盤状のスラストディスク７ａと、スラストディスク７ａの軸方向Ａ両側に設けられたスラスト電磁石７ｂとを備え、後述する軸受制御手段２２からの指令に基づいてスラスト電磁石７ｂによって磁界を発生させることによりスラストディスク７ａをスラスト電磁石７ｂ間で支持することが可能となっている。また、各ジャーナル軸受６、６と、吸込部５ａ及び吐出部５ｂのそれぞれとの間には、回転軸２とハウジング５との間をシールするシール部材８が設けられており、吸込部５ａから吸い込まれる流体Ｃ、また、吐出部５ｂから吐出する流体Ｃが回転軸２に沿ってジャーナル軸受６、６が設けられた部分に流出するのを制限している。
【００１９】
図１から図３に示すように、スラストバランス調整装置１０は、回転軸２の外周面に張り出した略円盤状のバランスピストン１１と、ハウジング５に略環状に形成されて該バランスピストン１１を回転可能に収容するバランス室１２と、バランス室１２内に設けられた第一のシール手段１３及び第二のシール手段１４と、スラスト磁気軸受７を駆動させて、前記バランスピストン１１の軸方向Ａの位置を調整する圧力制御手段２０とを備える。
【００２０】
バランス室１２の軸方向Ａ一方Ａ１側は、吐出部５ｂと連通している。一方、ハウジング５において、反対側となるバランス室１２の軸方向Ａ他方Ａ２側にはポート５ｅが形成されている。そして、ポート５ｅと吸込口５ａとは管路５ｆで接続されている。このため、バランス室１２の軸方向Ａ他方Ａ２側は、ポート５ｅ及び管路５ｆとで構成されるバランスコネクタライン５ｇによって吸込部５ａと連通している。
【００２１】
そして、バランス室１２の外周側の周壁面１２ａとバランスピストン１１の外周面１１ａとの間に、第一のシール手段１３が設けられている。第一のシール手段１３は、例えばラビリンスシールであり、バランス室１２内においてバランスピストン１１の軸方向Ａ一方Ａ１側と他方Ａ２側とで流体Ｃの流通を制限しており、これにより吐出部５ｂと連通する軸方向Ａ一方Ａ１側を相対的に高圧となる高圧室１５とし、また、吸込部５ａとバランスコネクタライン５ｇを介して連通する軸方向Ａ他方Ａ２側を相対的に低圧となる低圧室１６として構成している。
【００２２】
また、第二のシール手段１４は、本実施形態では低圧室１６側の側壁面１２ｂと、バランスピストン１１の側面１１ｂとの間に設けられている。第二のシール手段１４も、第一のシール手段１３同様に例えばラビリンスシールであり、バランス室１２において、低圧室１６と、バランスコネクタライン５ｇを介して吸込部５ａと連通する低圧室１６の外側との流体Ｃの流通を制限している。
【００２３】
このため、低圧室１６内部の圧力は、第一のシール手段１３によって生じる圧力損失により上記のとおり高圧室１５の圧力よりも低いとともに、第二のシール手段１４によって生じる圧力損失により吸込部５ａの圧力よりも高く設定されている。ここで、第二のシール手段１４によって生じる圧力損失は、第二のシール手段１４が設けられたバランス室１２の低圧室１６の側壁面１２ｂと、バランスピストン１１の側面１１ｂとのシール部ギャップＧの大きさに依存し、当該シール部ギャップＧが小さくなることで第二のシール手段１４によるシール効果が向上して圧力損失は大きくなり、また、当該シール部ギャップＧが大きくなることでシール効果が低下して圧力損失は小さくなる。
【００２４】
また、図３に示すように、圧縮機１は、回転軸２の軸方向Ａの位置を検出する位置センサ９を備えている。位置センサ９は、例えば、図示しないが回転軸２の軸端に設けられており、位置センサ９での検出結果は圧力制御手段２０に入力されている。圧力制御手段２０は、バランス室１２内におけるバランスピストン１１の軸方向Ａの位置により、シール部ギャップＧを変更することで、第二のシール手段１４によって生じる圧力損失を変更することが可能である。そして、これにより低圧室１６の圧力を変更して高圧室１５と低圧室１６との圧力差によってバランスピストン１１に作用するスラスト力を変化させることが可能である。
【００２５】
具体的には、圧力制御手段２０は、バランスピストン１１に作用させる必要スラスト力Ｆｂを演算するスラスト力演算部２１ａ、及び、該必要スラスト力Ｆｂを発生させるためのシール部ギャップＧを演算するギャップ演算部２１ｂを具備するバランスピストン位置演算手段２１と、該バランスピストン位置演算手段２１での演算結果に基づいてスラスト磁気軸受７を駆動させる軸受制御手段２２とを有する。バランスピストン位置演算手段２１において、スラスト力演算部２１ａには、圧縮機１を含むシステム全体を制御する図示しない本体制御装置から現在設定されている吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの値の入力がされている。また、スラスト力演算部２１ａには、スラスト磁気軸受７で許容される許容スラスト荷重が記憶されている。そして、スラスト力演算部２１ａは、入力された吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとによって、羽根車３で発生する軸方向に作用する力の和Ｆ３を演算し、許容スラスト荷重との差分から、相殺すべきスラスト力Ｆである必要スラスト力Ｆｂを演算することが可能である。
【００２６】
また、ギャップ演算部２１ｂには、予めシール部ギャップＧの大きさと、第二のシール手段１４による圧力損失量との関係が記憶されており、当該関係と流体Ｃの吸込圧力Ｐｓ及び吐出圧力Ｐｄとに基づいて、必要スラスト力Ｆｂとなるシール部ギャップＧの大きさを演算し、さらに、シール部ギャップＧと基準となる標準ギャップとの差分である調整ギャップ量ΔＧを演算し軸受制御手段２２に出力することが可能である。なお、本実施形態では、標準ギャップはスラスト磁気軸受７のスラストディスク７ａがスラスト電磁石７ｂ間の中央に位置する時のギャップの大きさを示している。そして、調整ギャップ量ΔＧとしては、その調整する方向により正負いずれの符号ともなる。
【００２７】
軸受制御手段２２は、入力された調整ギャップ量ΔＧに基づいてスラストディスク７ａの調整すべき位置となる目標位置座標を演算する目標位置演算部２２ａと、目標位置と現在のスラストディスク７ａとの位置に基づいてスラストディスク７ａの移動量を演算するスラストディスク移動量演算部２２ｂとを有する。目標位置演算部２２ａは、スラスト磁気軸受７のスラストディスク７ａがスラスト電磁石７ｂ間の中央に位置する時の軸方向Ａの基準位置Ａ０を表わす基準位置座標が記憶されており、当該基準位置座標にバランスピストン位置演算手段２１から入力された調整ギャップ量ΔＧを加算し、目標位置座標を演算することが可能である。
【００２８】
また、スラストディスク移動量演算部２２ｂには、目標位置演算部２２ａから目標位置座標が入力されているとともに、位置センサ９からは回転軸２の位置情報、すなわち現在のスラストディスク７ａの位置情報が入力されている。そして、スラストディスク移動量演算部２２ｂは、目標位置座標から、現在のスラストディスク７ａの位置座標を減じることで、現在のスラストディスク７ａの位置から目標位置となるのに必要なスラストディスク移動量を演算する。演算したスラストディスク移動量は、軸受制御手段２２に設けられたＰＩＤコントローラ２２ｃ及びフィルタ２２ｄを経て制御信号としてスラスト磁気軸受７のスラスト電磁石７ｂに入力される。
【００２９】
次に、この実施形態の圧縮機１及びスラストバランス調整装置１０の作用について説明する。
図示しない本体制御装置により回転体４が回転駆動し、これにより所定の吸込圧力Ｐｓで吸込部５ａから吸い込まれた流体Ｃは、各羽根車３の流路３ａと連通路５ｄを経ることで圧縮されて設定された吐出圧力Ｐｄで吐出部５ｂから吐出される。そして、流体Ｃが羽根車３の流路３ａを経ることで、羽根車３は流体Ｃから軸方向Ａの力を受け、全体として吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとの差分に応じた軸方向Ａの力Ｆ３が作用することになる。
【００３０】
一方、スラストバランス調整装置１０のバランスピストン１１には、軸方向Ａ一方Ａ１側では、吐出圧力Ｐｄを有する流体Ｃが高圧室１５まで流通しており、吐出圧力Ｐｄが作用している。また、バランスピストン１１の軸方向Ａ他方Ａ２側、すなわち低圧室１６には、高圧室１５との間に第一のシール手段１３が設けられているとともに、低圧室１６とバランスコネクタライン５ｇ側との間には第二のシール手段１４が設けられていることから、吐出圧力Ｐｄよりも低く、吸込圧力Ｐｓよりも高い圧力が作用している。このため、バランスピストン１１には、高圧室１５と低圧室１６との圧力差分だけ、羽根車３に直接作用する軸方向Ａの力と反対側の向きでスラスト力Ｆが作用することとなる。これにより、羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３がバランスピストン１１に作用するスラスト力Ｆによって相殺され、スラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重は低減されることとなる。
【００３１】
ここで、圧力制御手段２０において、バランスピストン位置演算手段２１のスラスト力演算部２１ａには、上記のとおり、図示しない本体制御装置から吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの値の入力がされている。そして、上記のとおり、バランスピストン位置演算手段２１では、スラスト力演算部２１ａ及びギャップ演算部２１ｂにより調整ギャップ量ΔＧを演算し、軸受制御手段２２に出力し、軸受制御手段２２では、入力された調整ギャップ量ΔＧに応じてスラストディスク７ａが目標位置となるように制御信号をスラスト電磁石７ｂに入力している。
【００３２】
すなわち、現在の位置（初期状態では基準位置Ａ０）において、吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとによって羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３とバランスピストン１１に作用するスラスト力Ｆとから求められるスラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重が、許容スラスト荷重よりも大きい場合には、軸受制御手段２２は、スラスト磁気軸受７を駆動させて、スラストディスク７ａを低圧室１６におけるシール部ギャップＧを大きくするように移動させる。これにより低圧室１６と、バランスコネクタライン５ｇ側との圧力差が小さくなり、相対的に高圧室１５と低圧室１６との圧力差が大きくなる。このため、バランスピストン１１に作用し、羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３を相殺するスラスト力Ｆを大きくすることができ、これによりスラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重を許容スラスト荷重内に設定することができる。
【００３３】
また、上記では、スラスト力演算部２１ａでは、スラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重が許容スラスト荷重より小さくなるように、必要スラスト力Ｆｂを求めたが、さらに基準スラスト荷重を設定し、基準スラスト荷重となるように必要スラスト力Ｆｂを求めるものとしても良い。この場合、吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとによって羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３とバランスピストン１１に作用するスラスト力Ｆとから求められるスラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重が、基準スラスト荷重よりも小さくなると、バランスピストン１１に作用するスラスト力Ｆが小さくなるように、スラストディスク７ａの位置を調整することとなる。すなわち、軸受制御手段２２は、スラスト磁気軸受７を駆動することで、スラストディスク７ａを低圧室１６におけるシール部ギャップＧを小さくするように移動させる。これにより低圧室１６と、バランスコネクタライン５ｇ側との圧力差が大きくなり、相対的に高圧室１５と低圧室１６との圧力差が小さくなる。このため、バランスピストン１１に作用し、羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３を相殺するスラスト力Ｆを小さくすることができ、これによりスラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重を許容スラスト荷重内において基準スラスト荷重に等しくなるように設定することができる。
【００３４】
以上のように、本実施形態のスラストバランス調整装置１０では、圧力制御手段２０が、バランスピストン１１の軸方向Ａの位置を調整することで、第二のシール手段１４による圧力損失を変化させ、これにより高圧室１５と低圧室１６との圧力差を変化させてスラスト力Ｆを自在に調整することができる。また、バランス室１２をシールする手段を第一のシール手段１３と第二のシール手段１４と二つ設け、また圧力制御手段２０として、スラスト磁気軸受７のアクチュエータを利用することで実現できるので、構成を簡易なものとすることができ、コストの増大を抑えることができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３６】
本実施形態では、圧縮機の基本的な構成は第１の実施形態と同じくして、スラストバランス調整装置３０のバランスピストンとして、スラスト磁気軸受７のスラストディスク７ａを利用した点が異なっている。すなわち、本実施形態のスラストバランス調整装置３０では、バランスピストンがスラストディスク７ａで構成されているとともに、バランス室がスラストディスク７ａを収容するディスク収容部７ｃで構成されている。そして、図示しないが、ディスク収容部７ｃの軸方向Ａ他方側Ａ２が吸込部５ａと連通しているとともに、一方Ａ１側では、図示しないバランスコネクタラインによって吐出部５ｂと連通している。また、ディスク収容部７ｃの外周側の周壁部７ｄとスラストディスク７ａとの間に第一のシール手段１３が設けられている。このため、図示しないバランスコネクタラインを介して吐出部５ｂと連通する軸方向Ａ一方Ａ１側を相対的に高圧となる高圧室３１とし、また、吸込部５ａと連通する軸方向Ａ他方Ａ２側を相対的に低圧となる低圧室３２として構成している。
【００３７】
また、第二のシール手段１４が、低圧室３２側の側壁面７ｅとスラストディスク７ａとの間に設けられている。このため、第１の実施形態同様に、低圧室３２内部の圧力は、第一のシール手段１３によって生じる圧力損失により上記のとおり高圧室１５の圧力よりも低いとともに、第二のシール手段１４によって生じる圧力損失により吸込部５ａの圧力よりも高く設定されている。
【００３８】
以上のような本実施形態のスラストバランス調整装置３０においても、同様にスラストディスク７ａの軸方向Ａの位置により、第二のシール手段１４による圧力損失を変化させ、これにより高圧室３１と低圧室３２との圧力差を変化させてスラスト力を自在に調整することができる。また、本実施形態では、スラスト磁気軸受７のスラストディスク７ａをバランスピストンとして、第一のシール手段１３及び第二のシール手段１４を設けることで回転体４にバランスピストンを別構成として設ける必要がなくなり、同様にスラスト力の調整を可能としつつ、より構成を簡易なものとしてコストの低減を図ることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００４０】
なお、上記実施形態では、第二のシール手段は、低圧室側に設けられるものとしたが、これに限るものではなく、高圧室側、あるいは、両側にそれぞれ設けるものとしても良い。例えば、高圧室側に設けられた場合には、高圧室の圧力は吐出部の圧力よりも第二のシール手段による圧力損失分小さくなる。一方、低圧室の圧力は吸込部の圧力と略等しくなる。そして、高圧室における第二のシール手段が設けられたシール部ギャップを小さくすれば、高圧室と低圧室との圧力差を小さくすることができ、スラスト力を小さくすることができる。また、高圧室における第二のシール手段が設けられたシール部ギャップを大きくすれば、高圧室と低圧室との圧力差を大きくすることができ、スラスト力を大きくすることができる。
【００４１】
また、上記実施形態では、圧力制御手段は、本体制御装置から吸込圧力Ｐｓ及び吐出圧力Ｐｄの入力を受けて、これによりバランスピストンの位置調整を行うものとしたが、これに限るものではない。例えば、吸込部及び吐出部、あるいは、バランス室の軸方向両側に圧力センサを設けるものとして、これら圧力センサの検出結果に基づいて制御を行うものとしても良い。
【００４２】
また、上記実施形態では、回転機械として圧縮機を例に挙げたが、これに限るものではなく、タービン等他の回転機械にも適用可能である。また、上記実施形態ではバランス室に流通する流体を、圧縮機で吸込、吐出を行う流体を使用したが、これに限らず、異なる流体を使用しても良く、少なくとも第一のシール手段を境界としてバランス室内の軸方向一方側を高圧室、他方側を低圧室と設定可能であれば良い。
【符号の説明】
【００４３】
１ 圧縮機（回転機械）
４ 回転体
７ スラスト磁気軸受
７ａ スラストディスク（バランスピストン）
７ｃ ディスク収容室
１０、３０ スラストバランス調整装置
１１ バランスピストン
１２ バランス室
１３ 第一のシール手段
１４ 第二のシール手段
２０ 圧力制御手段
Ａ 軸方向
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転体の軸方向のバランスを調整するスラストバランス調整装置、及び、これを備えた回転機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機械としては、例えば、羽根車を有する回転体を回転駆動させることで吸入した流体を圧縮して吐出させる圧縮機や、流体を流入させることで羽根車を有する回転体を回転させてトルクを出力させるタービンなどが挙げられる。そして、このような回転機械では、回転体には、トルクとともに軸方向にもスラスト力が作用することとなるので、回転体をスラスト軸受によって、軸回りに回転可能に、軸方向に支持している。
【０００３】
また、上記のような回転機械では、回転体に作用するスラスト力が大きくなると、これを支持するためのスラスト軸受の構造も大型化してしまうため、スラスト軸受に作用するスラスト荷重を流体の圧力差を利用して低減させるバランスピストンを採用したものが従来知られている。具体的には、例えば圧縮機において、回転体に外周側に張り出すようにバランスピストンを設け、バランスピストンの一方側では吐出部と連通させることで吐出圧力を作用させるとともに、他方側では吸込部と連通させることで吸込圧力を作用させるものである。これにより、バランスピストンには、吐出圧力と吸込圧力との圧力差によりスラスト力が作用し、スラスト軸受に作用するスラスト荷重を低減させることが可能である。さらに、このような圧縮機の構成において、バランスピストンの上記他方側と吸込部とを連通する経路の途中に設けられた調節弁を有し、その開閉を調整することで、バランスピストンに作用する圧力を調整することが可能なものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。そして、このような圧縮機では、上記のように調整弁による圧力調整によって、定常運転時、並びに、起動・停止などの際のスラスト軸受の負荷変動が大きい時に、スラスト軸受に作用するスラスト荷重を適宜に低減させることが可能であるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−３１８１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のような構成では、流体を流通させる経路中に新たに調整弁と調整弁を制御する手段とを追加する必要があり、コストが増大してしまう問題があった。
【０００６】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、簡易な構成でコストを抑えつつスラスト軸受に作用するスラスト荷重を低減させることが可能なスラストバランス調整装置及び回転機械を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、スラスト磁気軸受で軸方向に支持された回転体に作用するスラスト力を調整して、軸方向のバランスを調整するスラストバランス調整装置であって、前記回転体に設けられ、外周側に張り出した略円盤状のバランスピストンと、該バランスピストンを回転可能に収容し、軸方向のいずれかの側から流体が流通可能に連通する略環状のバランス室と、該バランス室内の外周側に設けられて前記流体の軸方向への流通を制限し、相対的に前記バランスピストンの軸方向一方側を高圧室に、他方側を低圧室に設定する第一のシール手段と、前記高圧室または前記低圧室の少なくとも一方に設けられて前記バランス室と該バランス室の外側との前記流体の流通を制限する第二のシール手段と、前記スラスト磁気軸受を駆動させて、前記バランスピストンの軸方向の位置を調整して、前記高圧室と前記低圧室との圧力差を制御する圧力制御手段とを備えることを特徴としている。
【０００８】
この構成によれば、バランス室に、軸方向のいずれか側から流通する流体は、外周側でバランスピストンの軸方向反対側へ流通する際に第一のシール手段で制限を受けることで、圧力が損失することとなる。これによりバランス室は、流体がその外側から流入することとなるバランスピストンの軸方向一方側が高圧室に、また、流体がその外側へ流出することとなるバランスピストンの軸方向他方側が低圧室となる。そして、両者の圧力差によりバランスピストンには、軸方向一方側から他方側へスラスト力が作用することとなる。そして、このバランスピストンに作用するスラスト力で、回転体に作用する他のスラスト力を相殺することにより、スラスト磁気軸受に作用するスラスト荷重を低減することができる。
【０００９】
ここで、高圧室または低圧室の少なくとも一方には、バランス室と外部との流通を制限する第二のシール手段が設けられている。そして、圧力制御手段によってスラスト磁気軸受を駆動させてバランスピストンの軸方向の位置を調整して高圧室と低圧室との圧力差を制御することができる。より詳しくは、第二のシール手段が設けられた高圧室または低圧室を狭くするようにバランスピストンを軸方向に移動させれば、第二のシール手段による圧力損失を大きくすることができ、これにより外部との圧力差を大きくすることができる。また、広くするようにバランスピストンを軸方向反対側に移動させれば、第二のシール手段による圧力損失を小さくすることができ、これにより外部との圧力差を小さくすることができる。すなわち、圧力制御手段が、バランスピストンの軸方向の位置を調整することで、第二のシール手段による圧力損失を変化させ、これにより高圧室と低圧室との圧力差を変化させてスラスト力を自在に調整することができる。また、バランス室をシールする手段を第一のシール手段と第二のシール手段と二つ設け、また圧力制御手段として、スラスト磁気軸受のアクチュエータを利用することで実現できるので、構成を簡易なものとすることができ、コストの増大を抑えることができる。
【００１０】
また、上記のスラストバランス調整装置において、前記バランスピストンは、前記スラスト磁気軸受を構成するスラストディスクであることがより好ましい。
【００１１】
この構成によれば、スラスト磁気軸受のスラストディスクをバランスピストンとして、第一のシール手段及び第二のシール手段を設けることで、回転体にバランスピストンを別構成として設ける必要がなくなり、同様にスラスト力の調整を可能としつつ、より構成を簡易なものとしてコストの低減を図ることができる。
【００１２】
また、本発明の回転機械は、回転体と、該回転体を回転可能に軸方向に支持するスラスト磁気軸受と、上記のスラストバランス調整装置とを備えることを特徴としている。
【００１３】
この構成によれば、上記のスラストバランス調整装置を備えることにより、低コストで簡易な構成によりスラストバランスの調整を図ることができ、これによりスラスト磁気軸受の小型化も図ることができ、全体として、小型化、低コスト化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のスラストバランス調整装置では、第一のシール手段、第二のシール手段及び圧力制御手段により、簡易な構成でコストを抑えつつ、スラスト軸受に作用するスラスト荷重を低減させることができる。
また、本発明の回転機械では、上記スラストバランス調整装置を備えることにより、小型化、低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態の圧縮機の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の圧縮機において、スラストバランス調整装置の詳細を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の圧縮機において、スラストバランス調整装置の詳細を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の圧縮機において、スラストバランス調整装置の詳細を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を図１から図３に基づいて説明する。図１は、本実施形態の回転機械である圧縮機を示している。図１に示すように、本実施形態の圧縮機１は、回転軸２及び回転軸２に取り付けられた羽根車３からなる回転体４と、羽根車３を収容するハウジング５と、ハウジング５に設けられて回転軸２を回転可能に支持するジャーナル軸受６、６及びスラスト磁気軸受７と、回転体４のスラストバランスを調整するスラストバランス調整装置１０を備える。
【００１７】
羽根車３は、略円盤状の部材で、回転軸２の外周面に、軸方向Ａに複数取り付けられている。各羽根車３には、内周側で軸方向Ａに沿って流入した流体Ｃを径方向外周側へ送出可能な流路３ａが放射状に複数形成されている。また、ハウジング５は、流体Ｃを装置外部から吸い込む吸込部５ａと、流体Ｃを装置外部へ吐出する吐出部５ｂと、吸込部５ａと吐出部５ｂとの間に設けられて各羽根車３を収容する作動室５ｃと、作動室５ｃ同士を連通し、羽根車３の流路３ａから外周側に送出された流体Ｃを次の羽根車３の流路３ａの内周側に案内する連通路５ｄとを有する。
【００１８】
ジャーナル軸受６、６は、ハウジング５の軸方向Ａ両側に配置されており、回転軸２を軸回りに回転可能に、径方向に支持している。ジャーナル軸受６、６は、例えば滑り軸受や磁気軸受などが選択される。また、スラスト磁気軸受７は、ハウジング５において吸込部５ａが設けられた流体吸入側となる軸方向Ａ一方Ａ１側に配置されており、回転軸２を軸回りに回転可能に、軸方向Ａに支持している。スラスト磁気軸受７は、回転軸２に設けられた略円盤状のスラストディスク７ａと、スラストディスク７ａの軸方向Ａ両側に設けられたスラスト電磁石７ｂとを備え、後述する軸受制御手段２２からの指令に基づいてスラスト電磁石７ｂによって磁界を発生させることによりスラストディスク７ａをスラスト電磁石７ｂ間で支持することが可能となっている。また、各ジャーナル軸受６、６と、吸込部５ａ及び吐出部５ｂのそれぞれとの間には、回転軸２とハウジング５との間をシールするシール部材８が設けられており、吸込部５ａから吸い込まれる流体Ｃ、また、吐出部５ｂから吐出する流体Ｃが回転軸２に沿ってジャーナル軸受６、６が設けられた部分に流出するのを制限している。
【００１９】
図１から図３に示すように、スラストバランス調整装置１０は、回転軸２の外周面に張り出した略円盤状のバランスピストン１１と、ハウジング５に略環状に形成されて該バランスピストン１１を回転可能に収容するバランス室１２と、バランス室１２内に設けられた第一のシール手段１３及び第二のシール手段１４と、スラスト磁気軸受７を駆動させて、前記バランスピストン１１の軸方向Ａの位置を調整する圧力制御手段２０とを備える。
【００２０】
バランス室１２の軸方向Ａ一方Ａ１側は、吐出部５ｂと連通している。一方、ハウジング５において、反対側となるバランス室１２の軸方向Ａ他方Ａ２側にはポート５ｅが形成されている。そして、ポート５ｅと吸込口５ａとは管路５ｆで接続されている。このため、バランス室１２の軸方向Ａ他方Ａ２側は、ポート５ｅ及び管路５ｆとで構成されるバランスコネクタライン５ｇによって吸込部５ａと連通している。
【００２１】
そして、バランス室１２の外周側の周壁面１２ａとバランスピストン１１の外周面１１ａとの間に、第一のシール手段１３が設けられている。第一のシール手段１３は、例えばラビリンスシールであり、バランス室１２内においてバランスピストン１１の軸方向Ａ一方Ａ１側と他方Ａ２側とで流体Ｃの流通を制限しており、これにより吐出部５ｂと連通する軸方向Ａ一方Ａ１側を相対的に高圧となる高圧室１５とし、また、吸込部５ａとバランスコネクタライン５ｇを介して連通する軸方向Ａ他方Ａ２側を相対的に低圧となる低圧室１６として構成している。
【００２２】
また、第二のシール手段１４は、本実施形態では低圧室１６側の側壁面１２ｂと、バランスピストン１１の側面１１ｂとの間に設けられている。第二のシール手段１４も、第一のシール手段１３同様に例えばラビリンスシールであり、バランス室１２において、低圧室１６と、バランスコネクタライン５ｇを介して吸込部５ａと連通する低圧室１６の外側との流体Ｃの流通を制限している。
【００２３】
このため、低圧室１６内部の圧力は、第一のシール手段１３によって生じる圧力損失により上記のとおり高圧室１５の圧力よりも低いとともに、第二のシール手段１４によって生じる圧力損失により吸込部５ａの圧力よりも高く設定されている。ここで、第二のシール手段１４によって生じる圧力損失は、第二のシール手段１４が設けられたバランス室１２の低圧室１６の側壁面１２ｂと、バランスピストン１１の側面１１ｂとのシール部ギャップＧの大きさに依存し、当該シール部ギャップＧが小さくなることで第二のシール手段１４によるシール効果が向上して圧力損失は大きくなり、また、当該シール部ギャップＧが大きくなることでシール効果が低下して圧力損失は小さくなる。
【００２４】
また、図３に示すように、圧縮機１は、回転軸２の軸方向Ａの位置を検出する位置センサ９を備えている。位置センサ９は、例えば、図示しないが回転軸２の軸端に設けられており、位置センサ９での検出結果は圧力制御手段２０に入力されている。圧力制御手段２０は、バランス室１２内におけるバランスピストン１１の軸方向Ａの位置により、シール部ギャップＧを変更することで、第二のシール手段１４によって生じる圧力損失を変更することが可能である。そして、これにより低圧室１６の圧力を変更して高圧室１５と低圧室１６との圧力差によってバランスピストン１１に作用するスラスト力を変化させることが可能である。
【００２５】
具体的には、圧力制御手段２０は、バランスピストン１１に作用させる必要スラスト力Ｆｂを演算するスラスト力演算部２１ａ、及び、該必要スラスト力Ｆｂを発生させるためのシール部ギャップＧを演算するギャップ演算部２１ｂを具備するバランスピストン位置演算手段２１と、該バランスピストン位置演算手段２１での演算結果に基づいてスラスト磁気軸受７を駆動させる軸受制御手段２２とを有する。バランスピストン位置演算手段２１において、スラスト力演算部２１ａには、圧縮機１を含むシステム全体を制御する図示しない本体制御装置から現在設定されている吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの値の入力がされている。また、スラスト力演算部２１ａには、スラスト磁気軸受７で許容される許容スラスト荷重が記憶されている。そして、スラスト力演算部２１ａは、入力された吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとによって、羽根車３で発生する軸方向に作用する力の和Ｆ３を演算し、許容スラスト荷重との差分から、相殺すべきスラスト力Ｆである必要スラスト力Ｆｂを演算することが可能である。
【００２６】
また、ギャップ演算部２１ｂには、予めシール部ギャップＧの大きさと、第二のシール手段１４による圧力損失量との関係が記憶されており、当該関係と流体Ｃの吸込圧力Ｐｓ及び吐出圧力Ｐｄとに基づいて、必要スラスト力Ｆｂとなるシール部ギャップＧの大きさを演算し、さらに、シール部ギャップＧと基準となる標準ギャップとの差分である調整ギャップ量ΔＧを演算し軸受制御手段２２に出力することが可能である。なお、本実施形態では、標準ギャップはスラスト磁気軸受７のスラストディスク７ａがスラスト電磁石７ｂ間の中央に位置する時のギャップの大きさを示している。そして、調整ギャップ量ΔＧとしては、その調整する方向により正負いずれの符号ともなる。
【００２７】
軸受制御手段２２は、入力された調整ギャップ量ΔＧに基づいてスラストディスク７ａの調整すべき位置となる目標位置座標を演算する目標位置演算部２２ａと、目標位置と現在のスラストディスク７ａとの位置に基づいてスラストディスク７ａの移動量を演算するスラストディスク移動量演算部２２ｂとを有する。目標位置演算部２２ａは、スラスト磁気軸受７のスラストディスク７ａがスラスト電磁石７ｂ間の中央に位置する時の軸方向Ａの基準位置Ａ０を表わす基準位置座標が記憶されており、当該基準位置座標にバランスピストン位置演算手段２１から入力された調整ギャップ量ΔＧを加算し、目標位置座標を演算することが可能である。
【００２８】
また、スラストディスク移動量演算部２２ｂには、目標位置演算部２２ａから目標位置座標が入力されているとともに、位置センサ９からは回転軸２の位置情報、すなわち現在のスラストディスク７ａの位置情報が入力されている。そして、スラストディスク移動量演算部２２ｂは、目標位置座標から、現在のスラストディスク７ａの位置座標を減じることで、現在のスラストディスク７ａの位置から目標位置となるのに必要なスラストディスク移動量を演算する。演算したスラストディスク移動量は、軸受制御手段２２に設けられたＰＩＤコントローラ２２ｃ及びフィルタ２２ｄを経て制御信号としてスラスト磁気軸受７のスラスト電磁石７ｂに入力される。
【００２９】
次に、この実施形態の圧縮機１及びスラストバランス調整装置１０の作用について説明する。
図示しない本体制御装置により回転体４が回転駆動し、これにより所定の吸込圧力Ｐｓで吸込部５ａから吸い込まれた流体Ｃは、各羽根車３の流路３ａと連通路５ｄを経ることで圧縮されて設定された吐出圧力Ｐｄで吐出部５ｂから吐出される。そして、流体Ｃが羽根車３の流路３ａを経ることで、羽根車３は流体Ｃから軸方向Ａの力を受け、全体として吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとの差分に応じた軸方向Ａの力Ｆ３が作用することになる。
【００３０】
一方、スラストバランス調整装置１０のバランスピストン１１には、軸方向Ａ一方Ａ１側では、吐出圧力Ｐｄを有する流体Ｃが高圧室１５まで流通しており、吐出圧力Ｐｄが作用している。また、バランスピストン１１の軸方向Ａ他方Ａ２側、すなわち低圧室１６には、高圧室１５との間に第一のシール手段１３が設けられているとともに、低圧室１６とバランスコネクタライン５ｇ側との間には第二のシール手段１４が設けられていることから、吐出圧力Ｐｄよりも低く、吸込圧力Ｐｓよりも高い圧力が作用している。このため、バランスピストン１１には、高圧室１５と低圧室１６との圧力差分だけ、羽根車３に直接作用する軸方向Ａの力と反対側の向きでスラスト力Ｆが作用することとなる。これにより、羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３がバランスピストン１１に作用するスラスト力Ｆによって相殺され、スラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重は低減されることとなる。
【００３１】
ここで、圧力制御手段２０において、バランスピストン位置演算手段２１のスラスト力演算部２１ａには、上記のとおり、図示しない本体制御装置から吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄの値の入力がされている。そして、上記のとおり、バランスピストン位置演算手段２１では、スラスト力演算部２１ａ及びギャップ演算部２１ｂにより調整ギャップ量ΔＧを演算し、軸受制御手段２２に出力し、軸受制御手段２２では、入力された調整ギャップ量ΔＧに応じてスラストディスク７ａが目標位置となるように制御信号をスラスト電磁石７ｂに入力している。
【００３２】
すなわち、現在の位置（初期状態では基準位置Ａ０）において、吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとによって羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３とバランスピストン１１に作用するスラスト力Ｆとから求められるスラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重が、許容スラスト荷重よりも大きい場合には、軸受制御手段２２は、スラスト磁気軸受７を駆動させて、スラストディスク７ａを低圧室１６におけるシール部ギャップＧを大きくするように移動させる。これにより低圧室１６と、バランスコネクタライン５ｇ側との圧力差が小さくなり、相対的に高圧室１５と低圧室１６との圧力差が大きくなる。このため、バランスピストン１１に作用し、羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３を相殺するスラスト力Ｆを大きくすることができ、これによりスラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重を許容スラスト荷重内に設定することができる。
【００３３】
また、上記では、スラスト力演算部２１ａでは、スラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重が許容スラスト荷重より小さくなるように、必要スラスト力Ｆｂを求めたが、さらに基準スラスト荷重を設定し、基準スラスト荷重となるように必要スラスト力Ｆｂを求めるものとしても良い。この場合、吸込圧力Ｐｓと吐出圧力Ｐｄとによって羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３とバランスピストン１１に作用するスラスト力Ｆとから求められるスラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重が、基準スラスト荷重よりも小さくなると、バランスピストン１１に作用するスラスト力Ｆが小さくなるように、スラストディスク７ａの位置を調整することとなる。すなわち、軸受制御手段２２は、スラスト磁気軸受７を駆動することで、スラストディスク７ａを低圧室１６におけるシール部ギャップＧを小さくするように移動させる。これにより低圧室１６と、バランスコネクタライン５ｇ側との圧力差が大きくなり、相対的に高圧室１５と低圧室１６との圧力差が小さくなる。このため、バランスピストン１１に作用し、羽根車３に作用する軸方向Ａの力Ｆ３を相殺するスラスト力Ｆを小さくすることができ、これによりスラスト磁気軸受７に作用するスラスト荷重を許容スラスト荷重内において基準スラスト荷重に等しくなるように設定することができる。
【００３４】
以上のように、本実施形態のスラストバランス調整装置１０では、圧力制御手段２０が、バランスピストン１１の軸方向Ａの位置を調整することで、第二のシール手段１４による圧力損失を変化させ、これにより高圧室１５と低圧室１６との圧力差を変化させてスラスト力Ｆを自在に調整することができる。また、バランス室１２をシールする手段を第一のシール手段１３と第二のシール手段１４と二つ設け、また圧力制御手段２０として、スラスト磁気軸受７のアクチュエータを利用することで実現できるので、構成を簡易なものとすることができ、コストの増大を抑えることができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態を図４に基づいて説明する。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００３６】
本実施形態では、圧縮機の基本的な構成は第１の実施形態と同じくして、スラストバランス調整装置３０のバランスピストンとして、スラスト磁気軸受７のスラストディスク７ａを利用した点が異なっている。すなわち、本実施形態のスラストバランス調整装置３０では、バランスピストンがスラストディスク７ａで構成されているとともに、バランス室がスラストディスク７ａを収容するディスク収容部７ｃで構成されている。そして、図示しないが、ディスク収容部７ｃの軸方向Ａ他方側Ａ２が吸込部５ａと連通しているとともに、一方Ａ１側では、図示しないバランスコネクタラインによって吐出部５ｂと連通している。また、ディスク収容部７ｃの外周側の周壁部７ｄとスラストディスク７ａとの間に第一のシール手段１３が設けられている。このため、図示しないバランスコネクタラインを介して吐出部５ｂと連通する軸方向Ａ一方Ａ１側を相対的に高圧となる高圧室３１とし、また、吸込部５ａと連通する軸方向Ａ他方Ａ２側を相対的に低圧となる低圧室３２として構成している。
【００３７】
また、第二のシール手段１４が、低圧室３２側の側壁面７ｅとスラストディスク７ａとの間に設けられている。このため、第１の実施形態同様に、低圧室３２内部の圧力は、第一のシール手段１３によって生じる圧力損失により上記のとおり高圧室１５の圧力よりも低いとともに、第二のシール手段１４によって生じる圧力損失により吸込部５ａの圧力よりも高く設定されている。
【００３８】
以上のような本実施形態のスラストバランス調整装置３０においても、同様にスラストディスク７ａの軸方向Ａの位置により、第二のシール手段１４による圧力損失を変化させ、これにより高圧室３１と低圧室３２との圧力差を変化させてスラスト力を自在に調整することができる。また、本実施形態では、スラスト磁気軸受７のスラストディスク７ａをバランスピストンとして、第一のシール手段１３及び第二のシール手段１４を設けることで回転体４にバランスピストンを別構成として設ける必要がなくなり、同様にスラスト力の調整を可能としつつ、より構成を簡易なものとしてコストの低減を図ることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００４０】
なお、上記実施形態では、第二のシール手段は、低圧室側に設けられるものとしたが、これに限るものではなく、高圧室側、あるいは、両側にそれぞれ設けるものとしても良い。例えば、高圧室側に設けられた場合には、高圧室の圧力は吐出部の圧力よりも第二のシール手段による圧力損失分小さくなる。一方、低圧室の圧力は吸込部の圧力と略等しくなる。そして、高圧室における第二のシール手段が設けられたシール部ギャップを小さくすれば、高圧室と低圧室との圧力差を小さくすることができ、スラスト力を小さくすることができる。また、高圧室における第二のシール手段が設けられたシール部ギャップを大きくすれば、高圧室と低圧室との圧力差を大きくすることができ、スラスト力を大きくすることができる。
【００４１】
また、上記実施形態では、圧力制御手段は、本体制御装置から吸込圧力Ｐｓ及び吐出圧力Ｐｄの入力を受けて、これによりバランスピストンの位置調整を行うものとしたが、これに限るものではない。例えば、吸込部及び吐出部、あるいは、バランス室の軸方向両側に圧力センサを設けるものとして、これら圧力センサの検出結果に基づいて制御を行うものとしても良い。
【００４２】
また、上記実施形態では、回転機械として圧縮機を例に挙げたが、これに限るものではなく、タービン等他の回転機械にも適用可能である。また、上記実施形態ではバランス室に流通する流体を、圧縮機で吸込、吐出を行う流体を使用したが、これに限らず、異なる流体を使用しても良く、少なくとも第一のシール手段を境界としてバランス室内の軸方向一方側を高圧室、他方側を低圧室と設定可能であれば良い。
【符号の説明】
【００４３】
１ 圧縮機（回転機械）
４ 回転体
７ スラスト磁気軸受
７ａ スラストディスク（バランスピストン）
７ｃ ディスク収容室
１０、３０ スラストバランス調整装置
１１ バランスピストン
１２ バランス室
１３ 第一のシール手段
１４ 第二のシール手段
２０ 圧力制御手段
Ａ 軸方向
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スラスト磁気軸受で軸方向に支持された回転体に作用するスラスト力を調整して、軸方向のバランスを調整するスラストバランス調整装置であって、
前記回転体に設けられ、外周側に張り出した略円盤状のバランスピストンと、
該バランスピストンを回転可能に収容し、軸方向のいずれかの側から流体が流通可能に連通する略環状のバランス室と、
該バランス室内の外周側に設けられて前記流体の軸方向への流通を制限し、相対的に前記バランスピストンの軸方向一方側を高圧室に、他方側を低圧室に設定する第一のシール手段と、
前記高圧室または前記低圧室の少なくとも一方に設けられて前記バランス室と該バランス室の外側との前記流体の流通を制限する第二のシール手段と、
前記スラスト磁気軸受を駆動させて、前記バランスピストンの軸方向の位置を調整して、前記高圧室と前記低圧室との圧力差を制御する圧力制御手段とを備えることを特徴とするスラストバランス調整装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスラストバランス調整装置において、
前記バランスピストンは、前記スラスト磁気軸受を構成するスラストディスクであることを特徴とするスラストバランス調整装置。
【請求項３】
回転体と、
該回転体を回転可能に軸方向に支持するスラスト磁気軸受と、
請求項１または請求項２に記載のスラストバランス調整装置とを備えることを特徴とする回転機械。
【請求項１】
スラスト磁気軸受で軸方向に支持された回転体に作用するスラスト力を調整して、軸方向のバランスを調整するスラストバランス調整装置であって、
前記回転体に設けられ、外周側に張り出した略円盤状のバランスピストンと、
該バランスピストンを回転可能に収容し、軸方向のいずれかの側から流体が流通可能に連通する略環状のバランス室と、
該バランス室内の外周側に設けられて前記流体の軸方向への流通を制限し、相対的に前記バランスピストンの軸方向一方側を高圧室に、他方側を低圧室に設定する第一のシール手段と、
前記高圧室または前記低圧室の少なくとも一方に設けられて前記バランス室と該バランス室の外側との前記流体の流通を制限する第二のシール手段と、
前記スラスト磁気軸受を駆動させて、前記バランスピストンの軸方向の位置を調整して、前記高圧室と前記低圧室との圧力差を制御する圧力制御手段とを備えることを特徴とするスラストバランス調整装置。
【請求項２】
請求項１に記載のスラストバランス調整装置において、
前記バランスピストンは、前記スラスト磁気軸受を構成するスラストディスクであることを特徴とするスラストバランス調整装置。
【請求項３】
回転体と、
該回転体を回転可能に軸方向に支持するスラスト磁気軸受と、
請求項１または請求項２に記載のスラストバランス調整装置とを備えることを特徴とする回転機械。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１９００８８（Ｐ２０１０−１９００８８Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３４１５５（Ｐ２００９−３４１５５）
【出願日】平成２１年２月１７日（２００９．２．１７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１７日（２００９．２．１７）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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